JP2011089987A - X-ray diffraction and fluorescence - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エネルギー分散型X線回折およびX線蛍光の両方のための装置および該装置の動作方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for both energy dispersive X-ray diffraction and X-ray fluorescence and a method of operating the apparatus.
X線回折(XRD: X-ray diffraction)およびX線蛍光(XRF: X-ray fluorescence)は、試料の構造および元素組成を探査する二つのよく知られた方法である。一般に、機器は、一方または他方のいずれかを実行するよう設計される。 X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) are two well-known methods for probing the structure and elemental composition of a sample. In general, equipment is designed to perform either one or the other.
しかしながら、いくつかの出願では、X線回折およびX線蛍光の両方を実行する機器が提案されている。 However, some applications have proposed instruments that perform both X-ray diffraction and X-ray fluorescence.
たとえば、US5,745,543は、XRF検出器に到達する低X線パワーの問題を、XRD測定を可能にする線焦点源、平面状または円筒状の分析用結晶を蛍光測定部における位置敏感検出器と一緒に使うことによって克服しようとする機器を提案している。よって、強度を低下させるコリメート系は使用されない。 For example, US5,745,543 describes the problem of low X-ray power reaching the XRF detector, a line focus source that enables XRD measurement, a planar or cylindrical analytical crystal and a position sensitive detector in the fluorescence measurement section. We are proposing devices that can be overcome by using them together. Therefore, a collimating system that reduces the strength is not used.
WO2008/107108によって別の提案がされている。これは、XRDとXRFを組み合わせようとするときに経験されうる困難に関する有用な議論を含んでいる。特に、議論は、XRDのために幅広い角度範囲にわたって動かせ、かつXRFのために試料に近いようにX線検出器を配置することの難しさを浮かび上がらせている。各技法の強度/感度は、それぞれについての特定の源を使って最適化される。 Another proposal is made by WO2008 / 107108. This includes useful discussion about the difficulties that can be experienced when trying to combine XRD and XRF. In particular, the discussion highlights the difficulty of placing an X-ray detector that can be moved over a wide angular range for XRD and close to the sample for XRF. The intensity / sensitivity of each technique is optimized using a specific source for each.
したがって、XRDおよびXRFの両方のために使用可能な、特に、使うのがより簡単な、以下の特性を全部含む、一部含むまたは全く含まない、より小型の装置であって、より通常の設計の複雑な試料の取り扱いを必要とすることなく、たとえば生産ライン、製造プラントおよび大学のような研究機関に取り入れることのできるものに対する必要性が残っている。 Thus, a smaller device with more or less normal design that can be used for both XRD and XRF, especially easier to use, including all, some or none of the following characteristics: There remains a need for what can be incorporated into research institutes such as production lines, manufacturing plants and universities without requiring the handling of complex samples.
本発明者らは、エネルギー分散型XRDの使用は、XRFと組み合わせるのに、よってXRDとXRFの両方を実行する複合機器に、特に好適であることを認識するに至った。 The inventors have realized that the use of energy dispersive XRD is particularly suitable for combination with XRF, and thus for composite devices running both XRD and XRF.
好ましくは、使用されるエネルギー範囲は、10keV超、好ましくは20keV超の高エネルギーX線を含む。高エネルギーのエネルギー分散型(HEED: high energy energy dispersive)XRDの使用は、良好な粒子統計を許容するので特に好適である。これは、XRF管のXRFのために使われる特性線ではなく、XRF管の連続帯放射をXRDのために使うことによってできる。XRFに好適な特性線は、3keVのすぐ下(原子番号Zが小さい元素を高める)および20keV近辺(中くらいの範囲の元素を高める)の範囲でありうる。XRDのための2.6keVのL線(たとえばRh L線)を使うと、非常に貧弱な侵入深さとなり、よって貧弱な粒子統計になる。その代わりに回折のためにそのような管の連続帯放射を使うと、試料のマトリクスに依存して好適なエネルギー範囲での測定ができる。 Preferably, the energy range used includes high energy X-rays greater than 10 keV, preferably greater than 20 keV. The use of a high energy energy dispersive (HEED) XRD is particularly preferred as it allows good particle statistics. This can be done by using XRF tube continuous band radiation for XRD, rather than the characteristic line used for XRF tube XRF. Characteristic lines suitable for XRF can be in the range of just below 3 keV (enhance elements with a small atomic number Z) and around 20 keV (enhance medium range elements). Using 2.6 keV L-lines for XRD (eg Rh L-lines) results in very poor penetration depth and therefore poor particle statistics. Instead, using continuous-band radiation of such tubes for diffraction allows measurements in a suitable energy range, depending on the sample matrix.
ここで、本発明のよりよい理解のために、純粋に例として、付属の図面を参照して実施形態を記述する。 For a better understanding of the present invention, embodiments will now be described, purely by way of example, with reference to the accompanying drawings.
図1を参照すると、本発明に基づく装置は、真空にされているまたは湿った/液体の試料の場合には気体充填されている(He)のでもよい筐体2および試料をマウントするための試料ホルダー4を含む。試料ホルダーは、特定の種類の試料、本例ではセメントを保持するために適応されてもよい。試料ホルダー4は、点線で示される、試料面6と称する方向に、横方向に延在する。
Referring to FIG. 1, an apparatus according to the invention is for mounting a
X線源10は、試料面の一方の側に、入射X線方向16のX線ビームを形成するようX線をコリメートするビーム調整システム12と整列して設けられる。X線源10は、白色X線、つまりある範囲の波長のX線と、特性線の両方の源である。
The
さらなる詳細を下記で論じる。X線源は筐体内のX線ポート14にマウントされる。このポートは、X線源をマウントするためのものなので、X線源ポート14と称される。
Further details are discussed below. The X-ray source is mounted on the
X線検出システム22をマウントするために、X線ポート20が2θの角度で、本例ではX線源に対して試料面の反対側に、設けられる。このX線検出システム22は、エネルギー分散型X線回折測定のために意図されており、よってX線ポートはXRDポート20と称され、X線検出システムはXRD検出システム22と称される。XRD検出システム22へのビームを得るために、ビームをコリメートするビーム調整システム24が、XRDポート20の前面に設けられる。
In order to mount the
典型的なX線回折では、試料の構造を決定するために、入射X線と同じエネルギーをもつ回折されたX線の強度が、角度2θの関数として測定される。角度2θ、探査される長さスケールdおよび波長λの間の関係は、よく知られたブラッグの式nλ=2dsinθによって与えられる。 In typical X-ray diffraction, the intensity of the diffracted X-ray having the same energy as the incident X-ray is measured as a function of the angle 2θ to determine the structure of the sample. The relationship between the angle 2θ, the probed length scale d and the wavelength λ is given by the well-known Bragg equation nλ = 2dsinθ.
これに対し、エネルギー分散型(ED: energy dispersive)X線回折では、固定角2θが使用され、可変量はエネルギーである。エネルギーと波長の間の関係式λ=hc/Eをブラッグ則と組み合わせて使って、エネルギー分散型回折ができる。こうして、多数のエネルギーで測定することによって、波長λを固定したまま2θを変える代わりに、角度2θが固定されて波長λが変えられる。したがって、XRD検出システム22は、最も単純な設計では、エネルギー分散型検出器である。
In contrast, in energy dispersive (ED) X-ray diffraction, a fixed angle 2θ is used, and the variable amount is energy. Energy dispersive diffraction can be performed by using the relationship between energy and wavelength λ = hc / E in combination with Bragg's law. Thus, by measuring with a large number of energies, instead of changing 2θ while fixing the wavelength λ, the angle 2θ is fixed and the wavelength λ is changed. Thus, the
この手法は、実際、特に高精度用途において、非常に並外れたものであるが、非特許文献1によって、爆発物検出のために提案されている。 This technique is actually very unusual, especially in high precision applications, but is proposed by Non-Patent Document 1 for explosives detection.
本発明者らは、XRDについてのこの非常に並外れた手法がXRF用途と組み合わせるために特に好適であることを認識するに至った。 The inventors have realized that this very unusual approach for XRD is particularly suitable for combination with XRF applications.
さらなる検出システム32をマウントするために、さらなるポート30が設けられる。今の場合はXRF用なので、このポートはXRFポート30と称され、検出システム32はXRF検出システム32と称される。ポート30は、源ポート14と試料面6の同じ側にある。XRFポートは、透過または反射のために位置されるよう選ぶことができる。透過の使用は、原子番号の大きな元素のために有用であるが、原子番号がより低い元素については、XRFポートは、図のように、源ポート14と試料面6の同じ側に位置される。
In order to mount a
XRF測定は比較的普通のものなので、XRF測定についてはそれほど詳細な説明はしない。きわめて並外れているのは、ED XRD測定である。 Since XRF measurements are relatively common, we will not give a very detailed explanation of XRF measurements. Very unusual is the ED XRD measurement.
上記の記述からわかるように、源は複数エネルギーでのX線の源であってもよい。エネルギー分散型XRDのためには、「白色」X線放射、つまり、連続スペクトルのX線放射が必要とされる。これに対し、XRD用の典型的な管はきわめて単色性の高いX線(たとえば特性線からの)を使うか、そのような単色性のX線を生成するためにモノクロメータを使うことがある。よって、XRDだけを考えるなら、エネルギー分散型XRDのためのX線源10は、電子ビームのための金属標的を使用することが好ましいであろう。ここで、金属標的18はたとえば原子番号の大きな金属からなる。連続帯の強度は標的の原子番号とともに増大するからである。好適な標的は、Ta、W、……Auのような物質を含む。
As can be seen from the above description, the source may be a source of x-rays at multiple energies. For energy dispersive XRD, “white” x-ray radiation, ie continuous spectrum x-ray radiation, is required. In contrast, typical tubes for XRD use extremely monochromatic X-rays (eg from characteristic lines) or use a monochromator to generate such monochromatic X-rays. . Thus, if only XRD is considered, the
しかしながら、XRFのための要件は異なっている。XRFのためには、離散的な線をもつ源を使うことが好ましい。典型的には、金属標的18は、原子番号Zの小さな元素および中程度の元素を高めるよう特性線を与えるよう選ばれた材料からなる。Mo、Rh、……Agのような物質は、低エネルギー範囲および20keVの範囲に特性線を与える。こうした物質はすでにやや大きな原子番号を有するので、その白色放射をED XRDのために使うのにも好適である。正しい2θ角を選べば、特性線および回折線との干渉が回避できる。
However, the requirements for XRF are different. For XRF, it is preferable to use a source with discrete lines. Typically, the
こうして、本実施形態に基づく装置では、Mo、RhまたはAgのような、42ないし46の原子番号をもつ物質が特に好ましい。 Thus, in the apparatus according to this embodiment, a substance having an atomic number of 42 to 46, such as Mo, Rh or Ag, is particularly preferred.
最終的には、本発明の利点は、角度計や可動部分を必要とせず、単に一つのX線源と二つのX線検出器が固定した位置でポートにマウントされているということである。この結果、ほどほどのコストでXRDおよびXRFの両方の機能をもつX線装置が得られる。 Ultimately, an advantage of the present invention is that no angle meter or moving parts are required, only one X-ray source and two X-ray detectors are mounted on the port in a fixed position. As a result, an X-ray apparatus having both XRD and XRF functions can be obtained at a reasonable cost.
本装置は、特に特定の業界において、特定の試料に合わせて適応されてもよい。たとえば、セメント産業では、遊離石灰量を測定する必要があることがあり、これは特定の値のdに対応するピークをもつ。よって、所与の機器における厳密な固定角2θは意図される試料に依存することになり、よってdの値もである。だが、5°ないし12°またさらには20°までの範囲の典型的な角度2θが一般に好まれる。ブラッグの法則nλ=2dsinθは、エネルギー範囲がわかっているとき、よってエネルギー(波長λではなく)の範囲もわかっているときの、θの、よって2θの好適な値を与える。 The device may be adapted for a particular sample, especially in a particular industry. For example, in the cement industry, it may be necessary to measure the amount of free lime, which has a peak corresponding to a specific value of d. Thus, the exact fixed angle 2θ for a given instrument will depend on the intended sample, and so is the value of d. However, a typical angle 2θ in the range of 5 ° to 12 ° or even 20 ° is generally preferred. Bragg's law nλ = 2dsinθ gives a suitable value of θ, and therefore 2θ, when the energy range is known, and hence when the range of energy (not wavelength λ) is also known.
しかしながら、製薬上の試料の測定のためには、長さスケールdはずっと大きいことがあり、この場合、2θはより小さくする必要がある。したがって、そのような試料の測定のためには、0.1°ないし5°の範囲の角度2θの範囲が好ましい。よって、全体として、2θの値は0.1°ないし20°からの値であってよく、意図される用途に依存して、好ましくはより狭い範囲5°ないし12°または0.1°ないし5°、好ましくは0.1°ないし1°の一つにあってもよい。 However, for measuring pharmaceutical samples, the length scale d may be much larger, in which case 2θ needs to be smaller. Therefore, an angle 2θ in the range of 0.1 ° to 5 ° is preferred for measuring such samples. Thus, overall, the value of 2θ may be from 0.1 ° to 20 °, preferably depending on the intended application, preferably in a narrower range 5 ° to 12 ° or 0.1 ° to 5 °, preferably It may be in the range of 0.1 ° to 1 °.
使用では、試料が試料台にマウントされ、X線が試料に向けられ、X線スペクトルがXRD検出システム22およびXRF検出システム32の両方によって測定される。
In use, a sample is mounted on a sample stage, X-rays are directed at the sample, and X-ray spectra are measured by both
一例において、3mmないし4mmの厚さをもつセメントの試料が測定された。角2θはこの例では10.1°であった。図2は、さまざまなエネルギーでのXRD検出器からの結果を示している。セメント試験について最も関心のあるピークはd=.245nm(よって28keV、2θ=10.1°)の遊離石灰ピークである。これは明瞭に見え、マークされている。 In one example, a sample of cement having a thickness of 3 mm to 4 mm was measured. The angle 2θ was 10.1 ° in this example. FIG. 2 shows the results from the XRD detector at various energies. The peak of most interest for the cement test is the free lime peak at d = .245 nm (hence 28 keV, 2θ = 10.1 °). This is clearly visible and marked.
このきわめて通常でない並外れた構成でも、良好なXRD結果が達成できることが見て取れるであろう。 It can be seen that good XRD results can be achieved even with this unusual configuration.
検出システムは典型的には上述したようなエネルギー分散型システムであってよい。そのような手法においては、本装置は可動部分をもたない、特に角度計をもたないことができる。 The detection system may typically be an energy dispersive system as described above. In such an approach, the device can have no moving parts, in particular no goniometer.
しかしながら、代替的な実施形態では、検出システムは、結晶、角度計および通常のX線検出器といった波長分散型の要素を有していてもよい。これらは、適切なポートにマウントされうる統合検出システムに組み合わされてもよい。 However, in alternative embodiments, the detection system may have chromatic dispersion elements such as crystals, goniometers and conventional X-ray detectors. These may be combined in an integrated detection system that can be mounted on the appropriate port.
ある代替では、角度計は省略して、単一の位置不感性検出器が使用されてもよい。 In one alternative, the goniometer may be omitted and a single position insensitive detector may be used.
もう一つの手法は、そのような波長分散型要素と組み合わせて位置敏感検出器を使う。それにより、検出システムは、該組み合わせを使って、エネルギーの関数としてX線強度を測定する。 Another approach uses position sensitive detectors in combination with such chromatic dispersion elements. Thereby, the detection system uses the combination to measure the X-ray intensity as a function of energy.
上述した実施形態は、単一のXRDポートおよび単一のXRFポートを含むが、XRD検出システムおよびXRF検出システムが異なる角度に動かされることを許容するために、あるいは複数の測定を同時に許容するために、筐体はさらなるポートを有していてもよいことを注意しておく。特に、異なるエネルギー範囲においてXRF放射を同時に測定するために複数のXRF検出システムを有することが有利である場合がある。場合によっては、これらのXRFポートのいくつかは、X線源に対して試料面と反対側に、すなわちXRDポートと同じ側にマウントされてもよい。 The embodiments described above include a single XRD port and a single XRF port, but to allow the XRD detection system and the XRF detection system to be moved to different angles or to allow multiple measurements simultaneously. Note that the housing may have additional ports. In particular, it may be advantageous to have multiple XRF detection systems to simultaneously measure XRF radiation in different energy ranges. In some cases, some of these XRF ports may be mounted on the opposite side of the sample surface relative to the X-ray source, ie on the same side as the XRD port.
さらに、実施形態によっては一対またはそれ以上のXRDポートを有していてもよい。たとえば、上述したような異なる用途のために、範囲5°ないし12°の角度2θに一つのXRDポートがあり、0.1°ないし5°の範囲に一つのXRDポートがあるのでもよい。 Furthermore, some embodiments may have one or more XRD ports. For example, for different applications as described above, there may be one XRD port at an angle 2θ in the range of 5 ° to 12 ° and one XRD port in the range of 0.1 ° to 5 °.
さらに、上記の実施形態は、ポートに固定されるX線源および検出システムに関して記述されている。しかしながら、機器は場合によっては、源および検出器なしで、単に裸のポートとともに供給されてもよい。 Furthermore, the above embodiments have been described with reference to an x-ray source and detection system secured to a port. However, in some cases, the instrument may be supplied with just a bare port, without a source and detector.
2 筐体
4 試料ホルダー
6 試料面
10 X線源
12 ビーム調整システム
14 X線ポート(X線源ポート)
16 入射X線方向
18 金属標的
20 X線ポート(XRDポート)
22 X線検出システム(XRD〔X線回折〕検出システム)
24 ビーム調整システム
32 さらなる検出システム(XRF〔蛍光X線分析〕検出システム)
30 さらなるポート(XRFポート)
2
16
22 X-ray detection system (XRD [X-ray diffraction] detection system)
24
30 Additional ports (XRF ports)
Claims (15)
連続波長範囲にわたって同時に放射を与え、該放射が複数の特性線を含む、X線源と;
入射ビーム方向の回折面内の入射X線ビームを画定するよう構成されたビーム調整システムと;
入射X線ビーム中に試料を保持するよう構成され、試料面を画定する試料ホルダーと;
XRFポートであって、蛍光分析を行うために該ポート上にマウントされるX線検出システムを用いて前記試料から出るX線を測定するよう位置されたXRFポートと;
回折X線を測定するために前記入射ビーム方向に対して、0.1°ないし20°の範囲内の固定した2θの角度で配置されたXRDポートと;
前記入射ビーム方向に対して角度2θをもつ回折X線を選択するよう、前記XRDポートと整列して位置されたビーム調整システムとを有する、
装置。 A combined X-ray diffraction XRD and X-ray fluorescence XRF instrument comprising:
An X-ray source that provides radiation simultaneously over a continuous wavelength range, the radiation comprising a plurality of characteristic lines;
A beam conditioning system configured to define an incident X-ray beam in a diffractive surface in the direction of the incident beam;
A sample holder configured to hold a sample in an incident x-ray beam and defining a sample surface;
An XRF port positioned to measure X-rays emanating from the sample using an X-ray detection system mounted on the port for performing fluorescence analysis;
An XRD port arranged at a fixed 2θ angle in the range of 0.1 ° to 20 ° with respect to the incident beam direction for measuring diffracted X-rays;
A beam conditioning system positioned in alignment with the XRD port to select diffracted X-rays having an angle 2θ with respect to the incident beam direction;
apparatus.
前記試料ホルダーに試料をマウントする段階と;
前記X線源から、連続波長範囲にわたって同時に放射を与え、該放射が複数の特性線を含む、段階と;
回折面内の入射ビーム方向に、前記試料に入射する入射X線ビームを画定する段階と;
蛍光分析のために前記XRFポートにおいてX線を測定する段階と;
前記入射ビーム方向に対して固定した2θの角度をもつ回折X線を選択する段階と;
選択された回折X線の強度をエネルギーの関数として測定する段階とを含む、
方法。 A method of operating a combined X-ray diffraction and X-ray fluorescence apparatus having an X-ray source, beam conditioning system, sample holder, X-ray fluorescence (XRF) port and X-ray diffraction (XRD) port:
Mounting a sample on the sample holder;
Providing radiation from the x-ray source simultaneously over a continuous wavelength range, the radiation comprising a plurality of characteristic lines;
Defining an incident X-ray beam incident on the sample in the direction of the incident beam in the diffractive surface;
Measuring X-rays at the XRF port for fluorescence analysis;
Selecting diffracted X-rays having a fixed 2θ angle with respect to the incident beam direction;
Measuring the intensity of selected diffracted X-rays as a function of energy,
Method.
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